WO2018092348A1 - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
負荷の消費電力が増加した場合でも、負荷に供給する供給電力が不足することを抑制できる電源装置を提供する。負荷(18)の消費電力が増加するタイミングに合わせて、直流電源(21)と第1蓄電デバイス(10)とを接続すると共に負荷(18)と第2蓄電デバイス(11)と接続する第1接続状態と、直流電源(21)と第2蓄電デバイス(11)とを接続すると共に負荷(18)と第1蓄電デバイス(10)と接続する第2接続状態とを切り換える電源装置(20)。
Description
本発明は、直流電源と負荷に接続される電源装置に関するものである。
世界全体での二酸化炭素排出量の削減を目指して、各部門での低炭素化技術開発の取り組みがなされている。一例として運輸部門においては、自動車の二酸化炭素排出量の削減を最終目的として、エネルギー利用効率を高めるよう燃費向上が強く求められている。近年、従来のエンジンのみで走行する従来自動車に加えて、エンジンとモータジェネレータを組み合わせたハイブリッド自動車や、モータのみで走行する電気自動車などの電動車両が登場し電動車両の普及が急速に進んできている。電動車両においては、従来の鉛バッテリである低圧バッテリに加えて、モータジェネレータにエネルギー供給を行うためにニッケル水素バッテリやリチウムイオンバッテリなどの高圧バッテリが用いられており、1つの車両電源システム内に複数の異なる直流電圧が存在するものが主流となっている。
電動車両においては従来自動車では必須であった発電機(オルタネータ)がなく、代わりに高圧バッテリを入力とする絶縁型DC/DCコンバータが用いられ、低圧バッテリ(鉛バッテリ)への充電と従来電装品である低圧系負荷への電力供給の役割を担っている。高圧バッテリと低圧バッテリおよび低圧系負荷との間の異電圧間を接続するDC/DCコンバータを用いた事例として、特許文献1に示されるような電源システム構成が開示されている。
昨今、電動車両における自動運転技術のファーストステップである半自動運転技術(運転支援技術)が市場投入され始めており、将来は自動車の完全自動運転化が図られていく技術潮流がある。自動運転に寄与する補機コンポーネントとして、車両状態をリアルタイムに検知および判断を行う各種センサや車両ECU、車両速度を制御するアクセル機構やブレーキ機構、車両ふらつきの抑制や車両操舵を制御する電動パワーステアリング機構などが挙げられ、それらは車両電源システムの異常時にも車両事故防止のためにも動作継続する必要性があり、上記車両コンポーネントである低圧系負荷に電力供給するエネルギー源となる低圧バッテリ(鉛バッテリ)を2つ用いる電源システム構成が、特許文献2として開示されている。
また、車両の信号待ち時にエンジン動作を停止させることで燃料カットを行い、エンジン再始動時にスタータなどを用いた燃費改善を目的とした「アイドリングストップ機能」や、高速巡航中にエンジン動作を停止させ燃料カットを行う「コースティング機能」からのエンジン再始動を実現させる場合には、瞬時に大電流をスタータに供給する必要があり、また急峻に車両操舵を行う際には瞬時に大電流を電動パワーステアリング機構内のインバータに供給する必要がある。つまり、低圧系負荷のいくつかは瞬時に大電流を必要とするものが存在する。
しかしながら、上記特許文献1では、1つしか設けられてない補機電池7の充電状態が低い状態で、負荷から瞬時に大電流が要求された場合に、負荷に供給される供給電力が不足し、電圧降下が生じるおそれがある。負荷には動作下限電圧が存在し、その電圧を下回ると負荷の動作が停止する。
また、上記特許文献2では、蓄電池が2つ用いられており、冗長機能は得られているが、負荷に接続されている蓄電池の端子電圧が放電終止電圧以下に低下してから、蓄電池の切換えが行われるように構成されている。蓄電池の端子電圧が放電終止電圧より高いが、蓄電池の充電状態が低い状態で、負荷から瞬時に大電流が要求された場合に、負荷に供給する供給電力が不足するおそれがある。
例えば、負荷に接続されている蓄電池の充電状態が0に近い状態で、負荷の消費電力が増加すると、その後直ぐに切換えを行う必要があるが、切換えに要するタイムラグの間、負荷に供給する供給電力が不足するおそれがある。特に、特許文献2の技術では、切り替えスイッチに中立状態(どことも接続されていない状態)を確保する機械スイッチを用いており、負荷に対して蓄電池1または蓄電池2が接続されていない期間が生じるため、電力不足が生じ易い。電力不足を解消するためには、大容量のコンデンサを追加する必要があり、電源システムが大型化する。
また、負荷に接続されている蓄電池の充電状態が0に近づくと、蓄電池が放電可能な最大放電電力が低下するため、この状態で負荷の消費電力が増加すると、負荷に供給する供給電力が不足するおそれがある。
そこで、負荷の消費電力が増加した場合でも、負荷に供給する供給電力が不足することを抑制できる電源装置が望まれる。
本発明に係る電源装置は、直流電源と負荷に接続される電源装置であって、直流電力を充電及び放電可能な第1蓄電デバイスと、直流電力を充電及び放電可能な第2蓄電デバイスと、複数のスイッチを備え、前記直流電源と、前記負荷と、前記第1蓄電デバイスと、前記第2蓄電デバイスとの間の接続を切り換え可能な切換回路と、前記複数のスイッチのそれぞれをオン又はオフに制御することにより、前記切換回路の接続状態を切り換える制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記負荷の消費電力が増加するタイミングに合わせて、前記直流電源と前記第1蓄電デバイスとを接続すると共に前記負荷と前記第2蓄電デバイスと接続する第1接続状態と、前記直流電源と前記第2蓄電デバイスとを接続すると共に前記負荷と前記第1蓄電デバイスと接続する第2接続状態とを切り換えるものである。
本発明の電源装置によれば、負荷の消費電力が増加するタイミングに合わせて、直流電源に接続されて充電されていた蓄電デバイスを負荷に切換え接続し、負荷に供給する供給電力が不足することを抑制できる。
1.実施の形態1
実施の形態1に係る、直流電源21と負荷12に接続される電源装置20について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
実施の形態1に係る、直流電源21と負荷12に接続される電源装置20について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
<電源システムの回路構成>
まず、電源システムの回路構成について説明する。電源装置20は、直流電力を充電及び放電可能な第1蓄電デバイス10と、直流電力を充電及び放電可能な第2蓄電デバイス11とを備えている。電源装置20は、複数のスイッチを備えており、直流電源21と、負荷12と、第1蓄電デバイス10と、第2蓄電デバイス11との間の接続を切り換え可能な切換回路9を備えている。電源装置20は、複数のスイッチのそれぞれをオン又はオフに制御することにより、切換回路9の接続状態を切り換える制御回路13を備えている。
まず、電源システムの回路構成について説明する。電源装置20は、直流電力を充電及び放電可能な第1蓄電デバイス10と、直流電力を充電及び放電可能な第2蓄電デバイス11とを備えている。電源装置20は、複数のスイッチを備えており、直流電源21と、負荷12と、第1蓄電デバイス10と、第2蓄電デバイス11との間の接続を切り換え可能な切換回路9を備えている。電源装置20は、複数のスイッチのそれぞれをオン又はオフに制御することにより、切換回路9の接続状態を切り換える制御回路13を備えている。
本実施の形態では、直流電源21は、直流電力を充電及び放電可能な電源蓄電デバイス3と、電源蓄電デバイス3から供給された直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して、切換回路に出力するDC/DCコンバータ4と、を備えている。
電源システムは、車輪駆動用のモータ1を備えた車両用の電源システムとされている。電源蓄電デバイス3は、モータ1の駆動用の高電圧(例えば、250V)のバッテリ(例えば、リチウムイオンバッテリ)とされている。電源蓄電デバイス3には、インバータ2を介してモータ1が接続されている。モータ1は、3相交流モータとされている。インバータ2は、電源蓄電デバイス3とモータ1との間で直流電力と交流電力とを変換して、モータ1を駆動する。電源蓄電デバイス3は、車両の減速時にモータ1が発電した回生エネルギーにより充電されたり、不図示の外部電源から充電されたりする。
DC/DCコンバータ4は、電源蓄電デバイス3の直流電圧を降圧して、切換回路9側に出力する降圧コンバータとされている。本例では、DC/DCコンバータ4は、降圧した14Vの直流電圧を切換回路9に出力する。DC/DCコンバータ4は、半導体スイッチ素子を備えており、制御回路により半導体スイッチ素子がオンオフ制御される。本例では、DC/DCコンバータ4は、トランス絶縁型とされている。
切換回路9は、直流電源21(DC/DCコンバータ4)の正極側に接続される第1スイッチ5と負荷12の正極側に接続される第2スイッチ6とが直列接続された第1直列回路と、直流電源21(DC/DCコンバータ4)の正極側に接続される第3スイッチ7と負荷12の正極側に接続される第4スイッチ8とが直列接続された第2直列回路と、を備えている。第1直列回路における第1スイッチ5と第2スイッチ6との接続点が、第1蓄電デバイス10の正極側に接続され、第3スイッチ7と第4スイッチ8との接続点が第2蓄電デバイス11の正極側に接続されている。直流電源21(電源蓄電デバイス3)の負極側、第1蓄電デバイス10の負極側、第2蓄電デバイス11の負極側、及び負荷12の負極側は、共通のグランドに接続されている。
切換回路9の複数のスイッチ5~8は、電動アクチュエータによって開閉する接点を有する機械式のスイッチとされている。電動アクチュエータは、電磁コイル等とされ、制御回路13の駆動信号により駆動される。制御回路13の駆動信号により、電磁コイルに電力が供給されると接点が閉じて、スイッチがオンになる。一方、制御回路13の駆動信号により、電磁コイルに電力が供給されていないと、ばねの付勢力により接点が開いて、スイッチがオフになる。
第1及び第2蓄電デバイス10、11は、車載電装品とされた負荷12用の低電圧(例えば、12V)のバッテリ(例えば、鉛バッテリ)とされている。
第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1を検出するための第1電圧センサと、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2を検出するための第2電圧センサと、が備えられている(不図示)。第1電圧センサの出力信号と、第2電圧センサの出力信号とは、制御回路13に入力される。
負荷12は、動作状態に応じて消費電力が変動する。本実施の形態では、負荷12は、車載電装品とされており、ヘッドランプ、カーオーディオ、カーナビゲーション、エアコンディショナ、電動パワーステアリング等とされている。
負荷12には、後述する切換判定電力以上に消費電力が増加する負荷である大消費電力負荷が含まれる。本例では、電動パワーステアリングが、大消費電力負荷となっている。電動パワーステアリングは、車輪の操舵装置を駆動する操舵トルクを出力するモータを備えている。車輪の操舵を行っていない期間は、モータの消費電力が低いが、車輪の操舵を行っている期間は、モータの消費電力が切換判定電力以上に大きく増加する。
各負荷12には、各負荷の動作を制御する制御回路が設けられている。各負荷12の制御回路は、負荷12の動作情報を通信により出力する。負荷12の動作情報には、負荷12が動作しているか否かの情報、負荷12の消費電力の情報などが含まれる。各負荷12の制御回路、電源装置20の制御回路13、DC/DCコンバータの制御回路、インバータ2の制御回路等の車載電子機器は、通信回線であるCAN(Controller Area Network)により互いに通信可能に接続されている。各負荷12の制御回路は、負荷12の動作情報を、CAN通信を介して、電源装置20の制御回路13を含む他の電子機器に伝達する。
電動パワーステアリングの制御回路は、操舵用のモータの動作情報(例えば、操舵用のモータの出力トルクにより操舵を行っているか否かの情報、操舵用のモータの消費電力の情報等)を、CAN通信を介して、電源装置20の制御回路13に伝達する。
<制御回路13>
次に、制御回路13について詳細に説明する。制御回路13は、切換回路9の接続状態を切り換えるために、各スイッチをオン又はオフに駆動制御する処理回路を備えている。制御回路13の処理回路は、演算処理装置、記憶装置等のデジタル電子回路により構成されてもよいし、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、デジタル電子回路及びアナログ電子回路の双方により構成されてもよい。制御回路13は、各スイッチをオン又はオフする駆動信号を生成し、各スイッチに出力する。
次に、制御回路13について詳細に説明する。制御回路13は、切換回路9の接続状態を切り換えるために、各スイッチをオン又はオフに駆動制御する処理回路を備えている。制御回路13の処理回路は、演算処理装置、記憶装置等のデジタル電子回路により構成されてもよいし、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、デジタル電子回路及びアナログ電子回路の双方により構成されてもよい。制御回路13は、各スイッチをオン又はオフする駆動信号を生成し、各スイッチに出力する。
制御回路13は、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える。第1接続状態は、直流電源21と第1蓄電デバイス10とを接続すると共に負荷12と第2蓄電デバイス11と接続する接続状態である。第2接続状態は、直流電源21と第2蓄電デバイス11とを接続すると共に負荷12と第1蓄電デバイス10と接続する接続状態である。
(1)第1接続状態
本実施の形態では、制御回路13は、第1接続状態にする場合は、図2及び以下に示すように、第1スイッチ5をオンに、第2スイッチ6をオフに、第3スイッチ7をオフに、第4スイッチ8をオンに制御する。
・第1スイッチ5:オン
・第2スイッチ6:オフ
・第3スイッチ7:オフ
・第4スイッチ8:オン
本実施の形態では、制御回路13は、第1接続状態にする場合は、図2及び以下に示すように、第1スイッチ5をオンに、第2スイッチ6をオフに、第3スイッチ7をオフに、第4スイッチ8をオンに制御する。
・第1スイッチ5:オン
・第2スイッチ6:オフ
・第3スイッチ7:オフ
・第4スイッチ8:オン
これにより、オン状態の第1スイッチ5を介して直流電源21(DC/DCコンバータ4)と第1蓄電デバイス10とが接続されると共に、オン状態の第4スイッチ8を介して負荷12と第2蓄電デバイス11とが接続される。
ところで、第1蓄電デバイス10の蓄電状態(SOC:State of Charge)が増加するに従って、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1が増加する。100%のSOCでは、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1は14Vになる。0%のSOCでは、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1は10.5Vになる。0%のSOCに到達すると、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1は10.5Vから急降下する。よって、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1は、第1蓄電デバイス10のSOCに比例する。なお、100%のSOCは、本実施の形態の電源システムの構成において充電可能な充電量の最大値に対応しており、0%のSOCは、負荷12が利用可能な充電量(端子電圧)の最小値に対応している。これらのことは、第2蓄電デバイス11についても同様である。
第1接続状態では、電源蓄電デバイス3からDC/DCコンバータ4を介して供給される直流電圧(本例では14V)は、第1蓄電デバイス10に供給され、第1蓄電デバイス10が充電される。図4に示すように、充電により、第1蓄電デバイス10のSOCが次第に増加し、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1が次第に増加する。そして、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1がDC/DCコンバータ4の出力電圧である14Vに増加し、第1蓄電デバイス10のSOCが100%に増加するまで、第1蓄電デバイス10が充電される。なお、図4には、負荷12への供給電圧Vbusが示されている。
一方、第1接続状態では、第2蓄電デバイス11から負荷12に直流電力が供給され、第2蓄電デバイス11が放電される。図4に示すように、放電により、第2蓄電デバイス11のSOCが次第に減少し、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が次第に減少する。
(2)第2接続状態
本実施の形態では、制御回路13は、第2接続状態にする場合は、図3及び以下に示すように、第1スイッチ5をオフに、第2スイッチ6をオンに、第3スイッチ7をオンに、第4スイッチ8をオフに制御する。
・第1スイッチ5:オフ
・第2スイッチ6:オン
・第3スイッチ7:オン
・第4スイッチ8:オフ
本実施の形態では、制御回路13は、第2接続状態にする場合は、図3及び以下に示すように、第1スイッチ5をオフに、第2スイッチ6をオンに、第3スイッチ7をオンに、第4スイッチ8をオフに制御する。
・第1スイッチ5:オフ
・第2スイッチ6:オン
・第3スイッチ7:オン
・第4スイッチ8:オフ
これにより、オン状態の第3スイッチ7を介して直流電源21(DC/DCコンバータ4)と第2蓄電デバイス11とが接続されると共に、オン状態の第2スイッチ6を介して負荷12と第1蓄電デバイス10とが接続される。
第2接続状態では、電源蓄電デバイス3からDC/DCコンバータ4を介して供給される直流電圧(本例では14V)は、第2蓄電デバイス11に供給され、第2蓄電デバイス11が充電される。図4に示すように、充電により、第2蓄電デバイス11のSOCが次第に増加し、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が次第に増加する。そして、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2がDC/DCコンバータ4の出力電圧である14Vに増加し、第2蓄電デバイス11のSOCが100%に増加するまで、第2蓄電デバイス11が充電される。
一方、第2接続状態では、第1蓄電デバイス10から負荷12に直流電力が供給され、第1蓄電デバイス10が放電される。図4に示すように、放電により、第1蓄電デバイス10のSOCが次第に減少し、第1蓄電デバイス10の端子電圧が次第に減少する。
<基本切換制御>
負荷12に接続されている蓄電デバイスのSOCが0%に近づくと、負荷12に供給される電圧、電力が低下し、負荷12が正常動作しなくなるため、蓄電デバイスを切り換える必要がある。そこで、制御回路13は、第1及び第2電圧センサの出力信号に基づいて、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1、及び第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2を検出する。制御回路13は、第1及び第2蓄電デバイス10、11の内、負荷12に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧が、予め設定された切換判定電圧以下になった場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える基本切換制御を実行する。切換判定電圧は、0%のSOCに対応する端子電圧(本例では10.5)以上の電圧に予め設定されており、例えば、11Vに設定されている。
負荷12に接続されている蓄電デバイスのSOCが0%に近づくと、負荷12に供給される電圧、電力が低下し、負荷12が正常動作しなくなるため、蓄電デバイスを切り換える必要がある。そこで、制御回路13は、第1及び第2電圧センサの出力信号に基づいて、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1、及び第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2を検出する。制御回路13は、第1及び第2蓄電デバイス10、11の内、負荷12に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧が、予め設定された切換判定電圧以下になった場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える基本切換制御を実行する。切換判定電圧は、0%のSOCに対応する端子電圧(本例では10.5)以上の電圧に予め設定されており、例えば、11Vに設定されている。
図4に基本切換制御の挙動を示す。図4に示す例では、負荷12の消費電力は、DC/DCコンバータ4から蓄電デバイスに供給される供給電力より低くなっている。負荷12の消費電力及びDC/DCコンバータ4の供給電力は、一定値になっている。負荷12に接続されている方の蓄電デバイス(以下、負荷接続蓄電デバイスと称す)の端子電圧(SOC)は、一定の傾きで減少している。一方、DC/DCコンバータ4に接続されている方の蓄電デバイス(以下、電源接続蓄電デバイス)の端子電圧(SOC)は、一定の傾きで増加している。そして、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になった時点で、第1接続状態と第2接続状態とが切り換わっている。負荷12の消費電力が、DC/DCコンバータ4の供給電力よりも低い条件では、第1接続状態と第2接続状態とを定期的に切り換えて、蓄電デバイスのSOCを予め設定された範囲で繰り返し増減させることができている。よって、基本切換制御では、蓄電デバイスのSOCの変化範囲を適切に設定することができ、蓄電デバイスの充電容量を有効利用し、切り換え頻度を適切に低くすることができる。
<電力増加切換制御>
しかし、負荷12の消費電力が増加する場合には、基本切換制御のように、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が0%のSOCに応じた切換判定電圧以下に低下してから切り換えを行っていたのでは、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。例えば、負荷接続蓄電デバイスのSOCが0%に近づいた状態で、負荷12の消費電力が増加すると、その後直ぐに切換えを行う必要があるが、切換えに要するタイムラグの間、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。また、蓄電デバイスのSOCが0%に近づくと、蓄電デバイスが放電可能な最大放電電力が低下するため、この状態で負荷12の消費電力が増加すると、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。
しかし、負荷12の消費電力が増加する場合には、基本切換制御のように、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が0%のSOCに応じた切換判定電圧以下に低下してから切り換えを行っていたのでは、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。例えば、負荷接続蓄電デバイスのSOCが0%に近づいた状態で、負荷12の消費電力が増加すると、その後直ぐに切換えを行う必要があるが、切換えに要するタイムラグの間、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。また、蓄電デバイスのSOCが0%に近づくと、蓄電デバイスが放電可能な最大放電電力が低下するため、この状態で負荷12の消費電力が増加すると、負荷12に供給する供給電力が不足するおそれがある。
そこで、制御回路13は、負荷12の消費電力が増加するタイミングに合わせて、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える電力増加切換制御を行うように構成されている。この構成によれば、負荷12の消費電力が増加するタイミングに合わせて、充電されていた蓄電デバイスを負荷12に切換え接続し、負荷12に供給する供給電力が不足することを抑制できる。
本実施の形態では、制御回路13は、負荷12の消費電力が予め設定された切換判定電力以上に増加すると判定し、且つ、第1及び第2蓄電デバイス10、11の内、負荷12に接続されている方の蓄電デバイス(負荷接続蓄電デバイス)の端子電圧が、直流電源21(DC/DCコンバータ4)に接続されている方の蓄電デバイス(電源接続蓄電デバイス)の端子電圧よりも低いと判定した場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えるように構成されている。
この構成によれば、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加する大消費電力時に、切り換えを行うことができる。そして、大消費電力時に、SOCが高い方の蓄電デバイスを負荷12に切換え接続することができ、負荷12の供給電力の不足をより確実に抑制できる。
負荷12の消費電力が、直流電源21(DC/DCコンバータ4)が供給可能な最大供給電力以上に増加すると、直流電源21を負荷12に接続しても、負荷12への供給電力が不足するため、端子電圧が高く、SOCが高い方の蓄電デバイスを負荷12に接続し、供給電力を確保する必要がある。なお、SOCが所定値よりも高い充電デバイスの最大放電電力は、直流電源21の最大供給電力よりも高くなる。
そこで、切換判定電力は、直流電源21が供給可能な最大供給電力(本例では、DC/DCコンバータ4が変換可能な最大変換電力)に応じた電力に設定されている。この設定によれば、負荷12の消費電力が、直流電源21の最大供給電力以上に増加しても、端子電圧が高い方の蓄電デバイスを負荷12に接続することにより、直流電源21の最大供給電力以上の電力を負荷12に供給し、供給電力が不足することを抑制できる。
本実施の形態では、上記のように、負荷12は、切換判定電力以上に消費電力が増加する大消費電力負荷(本例では、電動パワーステアリング)を含んでいる。制御回路13は、大消費電力負荷の動作情報に基づいて、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加するか否かを判定する。
上記のように、各負荷12の制御回路から通信回線を介して制御回路13に伝達される負荷12の動作情報には、負荷12が動作しているか否かの情報、負荷12の消費電力の情報などが含まれる。本実施の形態では、制御回路13は、電動パワーステアリングの制御回路から伝達された、操舵用のモータの動作情報に基づいて、操舵用のモータの消費電力が切換判定電力以上に増加するか否かを判定する。
例えば、制御回路13は、操舵用のモータの出力トルクにより操舵を行っているという動作情報が伝達された場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定する。一方、制御回路13は、操舵用のモータの出力トルクにより操舵を行っていないという動作情報が伝達された場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定する。或いは、制御回路13は、動作情報として伝達された操舵用のモータの消費電力が切換判定電力以上である場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定する。一方、制御回路13は、動作情報として伝達された操舵用のモータの消費電力が切換判定電力未満である場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定する。
このように、制御回路13は、負荷12の動作状態に応じて、第1接続状態と第2接続状態とを切り替えるように構成されている。
或いは、制御回路13は、負荷12に供給される供給電力を検出し、供給電力の検出値に基づいて、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加するか否かを判定するように構成されてもよい。この場合は、切換回路9と負荷12との接続電線、又は第1及び第2蓄電デバイス10、11に電流センサが設けられ、電流センサの出力信号が制御回路13に入力される。そして、制御回路13は、電流センサの出力信号により検出した負荷12に供給される電流と、負荷12に接続されている負荷接続蓄電デバイスの端子電圧(又は、負荷12への供給電圧Vbus)と、に基づいて、負荷12の供給電力の検出値を算出する。制御回路13は、負荷12の供給電力の検出値が切換判定電力以上である場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定し、負荷12の供給電力の検出値が切換判定電力未満である場合は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定する。
また、本実施の形態では、切換えのチャタリングが生じないように、端子電圧の比較判定にヒステリシスが設けられている。すなわち、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定し、且つ、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が、電源接続蓄電デバイスの端子電圧よりも、予め設定されたオフセット電圧以上低いと判定した場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えるように構成されている。
また、制御回路13は、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える際に、切換え前に直流電源21に接続されている蓄電デバイスを負荷12に接続した後、切換え前に負荷12に接続されている蓄電デバイスを負荷12から切断するように構成されている。この構成によれば、切換え時に、いずれの蓄電デバイスも負荷12に接続されていない状態が生じないようにでき、負荷12への電力供給経路に大容量のコンデンサを設けなくても、負荷12への電力供給が途切れないようにできる。よって、大容量のコンデンサを設ける必要がなく、電源システムが大型化することを抑制できる。
例えば、切換え前が第1接続状態であり、第1蓄電デバイス10が直流電源21に接続され、第2蓄電デバイス11が負荷12に接続されている場合は、切り換える際に、第2スイッチ6をオンにして第1蓄電デバイス10を負荷12に接続した後、第4スイッチ8をオフにして第2蓄電デバイス11を負荷12から切断する。一方、切換え前が第2接続状態であり、第2蓄電デバイス11が直流電源21に接続され、第1蓄電デバイス10が負荷12に接続されている場合は、切り換える際に、第4スイッチ8をオンにして第2蓄電デバイス11を負荷12に接続した後、第2スイッチ6をオフにして第1蓄電デバイス10を負荷12から切断する。
<フローチャート>
以上で説明した、制御回路13に係る基本切換制御及び電力増加切換制御の処理を、図5に示すフローチャートのように構成することができる。図5のフローチャートの処理は、演算処理装置が記憶装置に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、一定の演算周期毎に繰り返し実行される。
以上で説明した、制御回路13に係る基本切換制御及び電力増加切換制御の処理を、図5に示すフローチャートのように構成することができる。図5のフローチャートの処理は、演算処理装置が記憶装置に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、一定の演算周期毎に繰り返し実行される。
まず、ステップS01で、制御回路13は、負荷12の消費電力が増加するか否かを判定する。本実施の形態では、制御回路13は、上述したように、負荷12の消費電力が予め設定された切換判定電力以上に増加するか否かを判定する。
制御回路13は、負荷12の消費電力が増加すると判定した場合(ステップS01:Yes)は、ステップS02で、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が、電源接続蓄電デバイスの端子電圧よりも低いか否かを判定する。本実施の形態では、制御回路13は、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が、電源接続蓄電デバイスの端子電圧よりも、予め設定されたオフセット電圧以上低いか否かを判定する。
制御回路13は、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が電源接続蓄電デバイスの端子電圧よりも低いと判定した場合(ステップS02:Yes)は、ステップS03で、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えて、図5のフローチャートの処理を終える。
制御回路13は、負荷12の消費電力が増加しないと判定した場合(ステップS01:No)、又は負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が電源接続蓄電デバイスの端子電圧よりも低くないと判定した場合(ステップS02:No)は、ステップS04で、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になったか否かを判定する。
制御回路13は、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が切換判定電圧以下になったと判定した場合(ステップS04:Yes)は、ステップS03で、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えて、図5のフローチャートの処理を終える。
一方、制御回路13は、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が切換判定電圧以下になっていないと判定した場合(ステップS04:No)は、切換え処理を行わずに、図5のフローチャートの処理を終える。
<制御挙動>
図6に切換制御の挙動を示す。時刻T01までは、大消費電力負荷である電動パワーステアリングが動作しておらず、大消費電力負荷よりも消費電力が低い負荷12が動作している。そのため、基本切換制御による第1接続状態と第2接続状態との切換えが行われている。時刻T01で、電動パワーステアリングの動作が開始し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定している(時刻T01から時刻T02)。この時、負荷接続蓄電デバイスとなっている第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が、電源接続蓄電デバイスとなっている第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1よりも、オフセット電圧ΔV以上低いので、第1接続状態から第2接続状態に切り換えられ、SOCが高い第1蓄電デバイス10が負荷12に接続される。よって、消費電力の増加時に、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が切換判定電圧以下に低下する前に、予め、SOCが高い方の蓄電デバイスを負荷12に切換え接続できており、負荷12の供給電力の不足を抑制できている。時刻T02で、電動パワーステアリングの動作が終了し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定し、電力増加切換制御による切換えを終了している。
図6に切換制御の挙動を示す。時刻T01までは、大消費電力負荷である電動パワーステアリングが動作しておらず、大消費電力負荷よりも消費電力が低い負荷12が動作している。そのため、基本切換制御による第1接続状態と第2接続状態との切換えが行われている。時刻T01で、電動パワーステアリングの動作が開始し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定している(時刻T01から時刻T02)。この時、負荷接続蓄電デバイスとなっている第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が、電源接続蓄電デバイスとなっている第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1よりも、オフセット電圧ΔV以上低いので、第1接続状態から第2接続状態に切り換えられ、SOCが高い第1蓄電デバイス10が負荷12に接続される。よって、消費電力の増加時に、負荷接続蓄電デバイスの端子電圧が切換判定電圧以下に低下する前に、予め、SOCが高い方の蓄電デバイスを負荷12に切換え接続できており、負荷12の供給電力の不足を抑制できている。時刻T02で、電動パワーステアリングの動作が終了し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定し、電力増加切換制御による切換えを終了している。
時刻T03で、電動パワーステアリングの動作が再び開始し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加すると判定している(時刻T03から時刻T05)。この時、負荷接続蓄電デバイスとなっている第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が、電源接続蓄電デバイスとなっている第1蓄電デバイス10の端子電圧よりも、オフセット電圧ΔV以上低いので、第1接続状態から第2接続状態に切り換えられ、SOCが高い第1蓄電デバイス10が負荷12に接続される。その後、電動パワーステアリングの電力消費により第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1(SOC)が低下し、直流電源21からの電力供給により第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2(SOC)が増加する。時刻T04で、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1が、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2よりも、オフセット電圧ΔV以上低くなったので、第2接続状態から第1接続状態に切り換えられ、SOCが高い第2蓄電デバイス11が負荷12に接続されている。時刻T05で、電動パワーステアリングの動作が終了し、制御回路13は、負荷12の消費電力が切換判定電力以上に増加しないと判定し、電力増加切換制御による切換えを終了している。
<蓄電デバイスの故障時の切換え>
制御回路13は、第1及び第2蓄電デバイス10、11のいずれかが故障したと判定した場合は、故障した蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21から切断すると共に、故障していない蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21に接続する。この構成によれば、故障した蓄電デバイスを電源システムから完全に切り離すことができ、安全を確保することができる。また、故障していない蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21に接続し、負荷12の動作継続を維持することができ、電源システムの信頼性を向上させることができる。
制御回路13は、第1及び第2蓄電デバイス10、11のいずれかが故障したと判定した場合は、故障した蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21から切断すると共に、故障していない蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21に接続する。この構成によれば、故障した蓄電デバイスを電源システムから完全に切り離すことができ、安全を確保することができる。また、故障していない蓄電デバイスを負荷12及び直流電源21に接続し、負荷12の動作継続を維持することができ、電源システムの信頼性を向上させることができる。
例えば、制御回路13は、第1蓄電デバイス10が故障したと判定した場合は、第1スイッチ5及び第2スイッチ6をオフにして、故障した第1蓄電デバイス10を負荷12及び直流電源21から切断すると共に、第3スイッチ7及び第4スイッチ8をオンにして、故障していない第2蓄電デバイス11を負荷12及び直流電源21に接続する。一方、制御回路13は、第2蓄電デバイス11が故障したと判定した場合は、第3スイッチ7及び第4スイッチ8をオフにして、故障した第2蓄電デバイス11を負荷12及び直流電源21から切断すると共に、第1スイッチ5及び第2スイッチ6をオンにして、故障していない第1蓄電デバイス10を負荷12及び直流電源21に接続する。
制御回路13は、端子電圧が、予め設定された正常電圧の範囲(本例では、100%のSOCから0%のSOCに対応する、14Vから10.5Vの範囲)から外れた蓄電デバイスが故障したと判定する。
以上の説明では、電源蓄電デバイス3はリチウムイオンバッテリであり、第1及び第2蓄電デバイス10、11は鉛バッテリである場合を例として説明を行った。しかし、電源蓄電デバイス3、第1及び第2蓄電デバイス10、11は、それぞれ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、鉛バッテリ、キャパシタ等の任意の種類の蓄電デバイスとされてもよい。
また、第1及び第2蓄電デバイス10、11において、100[%]のSOCに相当する端子電圧が14[V]であり、0[%]のSOCに相当する端子電圧が10.5[V]である場合を例として説明を行った。しかし、100[%]及び0[%]のSOCに相当する端子電圧は、14[V]、10.5[V]以外の電圧であってもよい。
また、直流電源21は、電源蓄電デバイス3とDC/DCコンバータ4とにより構成されている場合を例として説明を行った。しかし、直流電源21は、直流電力を供給可能な電源であれば、任意の種類の直流電源であってもよい。例えば、直流電源21は、直流電力を充電及び放電可能な蓄電デバイスとされてもよく、後述する実施の形態2、3のように交流電源と交流電力を直流電力に変換するAC/DCコンバータとにより構成されてもよい。
電源システムは、車輪駆動用のモータ1を備えた車両用の電源システムとされており、電源蓄電デバイス3は、モータ1の駆動用のバッテリとされ、負荷12は、車載電装品とされている場合を例として説明を行った。しかし、電源システムは、車両用以外、例えば、発電設備、給電設備、工作機械などの電源システムとされてもよく、電源蓄電デバイス3は、発電された電力を蓄積する蓄電デバイス、外部から供給された電力を蓄積する蓄電デバイス、メインの蓄電デバイスなどとされてもよく、負荷12は、車載電装品以外の任意の電気負荷とされてもよい。
大消費電力負荷は、電動パワーステアリングとされている場合を例として説明を行った。しかし、大消費電力負荷は、電動パワーステアリング以外の負荷、例えば、内燃機関を始動させるスタータモータ、車輪のブレーキ機構を駆動する電動アクチュエータ等とされてもよい。大消費電力負荷は、電動パワーステアリング、スタータモータ、及びブレーキ電動アクチュエータ等の複数の負荷とされ、複数の大消費電力負荷のいずれかが動作する場合に、電力増加切換制御が実行されてもよい。
スイッチ5~8は、機械式のスイッチとされている場合を例として説明を行った。しかし、スイッチ5~8は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチ素子とされてもよい。
また、DC/DCコンバータ4の半導体スイッチ素子は、制御回路13によりオンオフ制御されてもよい。DC/DCコンバータ4は、電源装置20に含まれてもよい。
2.実施の形態2
実施の形態2に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電源装置20の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電源システムが、FA(Factory Automation)用の電源システムとされており、それに伴って各部の構成が異なっている。図7は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
実施の形態2に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電源装置20の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電源システムが、FA(Factory Automation)用の電源システムとされており、それに伴って各部の構成が異なっている。図7は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
本実施の形態では、直流電源21が、交流安定化電源14と、交流安定化電源14から供給された交流電力を直流電力に変換して、切換回路9に出力するAC/DCコンバータ15と、を備えている。交流安定化電源14は、商用系統の交流電源であり、一定の交流電圧(例えば、100V又は200V)を供給する交流電源とされる。AC/DCコンバータ15は、交流電力を、一定の直流電圧(例えば、5V)の直流電力に変換する。AC/DCコンバータ15は、ダイオード等の整流素子、半導体スイッチ素子を備えており、半導体スイッチ素子は制御回路によりオンオフ制御される。
本実施の形態では、負荷は、FAラインを制御する制御装置に設けられた、FAラインの作業状態(各パラメータ)に関する情報を記憶する揮発性半導体メモリ18とされている。
しかし、商用系統の交流安定化電源14に、落雷などによる停電が発生した場合に、停電直前のFAライン作業状態(各パラメータ)の情報を揮発性半導体メモリ18に記憶させる必要があり、そのためには、停電後も、揮発性半導体メモリ18への電力供給を維持する必要がある。そのために、第1及び第2蓄電デバイス16、17を備えた電源装置20が備えられている。
本実施の形態では、第1及び第2蓄電デバイス16、17には、電気二重層コンデンサ(EDLC;Electric Double-Layer Capacitor)が用いられている。スイッチ5~8は、FET(Field Effect Transistor)等の半導体スイッチ素子とされており、制御回路13の駆動信号により駆動される。
揮発性半導体メモリ18は、揮発性半導体メモリ18に情報を書き込む際に、情報を保持するための通常時よりも消費電力が増加するため、十分な電力を供給する必要がある。
そこで、実施の形態1と同様に、制御回路13は、揮発性半導体メモリ18の消費電力が増加するタイミングに合わせて、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える電力増加切換制御を行うように構成されている。この構成によれば、揮発性半導体メモリ18に情報を書き込むタイミングに合わせて、充電されていた蓄電デバイスを揮発性半導体メモリ18に切換え接続し、供給電力が不足することを抑制し、確実に情報を書き込むことができる。
制御回路13は、揮発性半導体メモリ18の消費電力が予め設定された切換判定電力以上に増加すると判定し、且つ、第1及び第2蓄電デバイス10、11の内、揮発性半導体メモリ18に接続されている方の蓄電デバイス(負荷接続蓄電デバイス)の端子電圧が、直流電源21(AC/DCコンバータ15)に接続されている方の蓄電デバイス(電源接続蓄電デバイス)の端子電圧よりも低いと判定した場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えるように構成されている。揮発性半導体メモリ18が、大消費電力負荷とされており、切換判定電力は、情報を保持する通常時の消費電力と、情報を書き込む時の消費電力との間の電力に設定されている。
或いは、停電等により直流電源21の電力供給が停止した後に、揮発性半導体メモリ18に情報が書き込まれるように構成されている場合は、制御回路13は、直流電源21の電力供給が停止した場合に、揮発性半導体メモリ18の消費電力が増加すると判定し、第1接続状態と第2接続状態とを切り換えるように構成されてもよい。
なお、以上の説明では、第1及び第2蓄電デバイス16、17は、電気二重層コンデンサとされている場合を例として説明を行った。しかし、第1及び第2蓄電デバイス16、17は、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、鉛バッテリ等の任意の種類の蓄電デバイスとされてもよい。
また、負荷は、揮発性半導体メモリ18とされている場合を例として説明を行った。しかし、負荷は、不揮発性半導体メモリとされてもよく、或いは、半導体メモリを含む、FAライン作業状態を管理する制御装置とされてもよい。
また、電源システムが、FA用の電源システムとされている場合を例として説明を行った。しかし、電源システムは、パーソナルコンピュータ、ネットワークサーバ等の任意の電気装置用の電源システムとされてもよい。
直流電源21の電力供給が停止した後の切換制御を例として説明を行った。しかし、直流電源21の電力供給中に、基本切換制御及び電力増加切換制御が行われてもよい。この場合は、切換判定電力は、AC/DCコンバータ15が変換可能な最大変換電力に応じた電力に設定されてもよい。
また、AC/DCコンバータ15の半導体スイッチ素子は、制御回路13によりオンオフ制御されてもよい。AC/DCコンバータ15は、電源装置20に含まれてもよい。
3.実施の形態3
実施の形態3に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態2と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電源システムは、実施の形態2と同様に、FA(Factory Automation)用の電源システムとされているが、直流電源21に設けられたAC/DCコンバータ19が、双方向に電力を変換可能にされている点が異なる。すなわち、AC/DCコンバータ19は、交流安定化電源14から供給された交流電力を直流電力に変換して切換回路9に出力可能であり、切換回路9から供給された直流電力を交流電力に変換して交流安定化電源14に出力可能である。AC/DCコンバータ19は、ダイオード等の整流素子、半導体スイッチ素子を備えており、半導体スイッチ素子は制御回路によりオンオフ制御される。図8は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
実施の形態3に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態2と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電源システムは、実施の形態2と同様に、FA(Factory Automation)用の電源システムとされているが、直流電源21に設けられたAC/DCコンバータ19が、双方向に電力を変換可能にされている点が異なる。すなわち、AC/DCコンバータ19は、交流安定化電源14から供給された交流電力を直流電力に変換して切換回路9に出力可能であり、切換回路9から供給された直流電力を交流電力に変換して交流安定化電源14に出力可能である。AC/DCコンバータ19は、ダイオード等の整流素子、半導体スイッチ素子を備えており、半導体スイッチ素子は制御回路によりオンオフ制御される。図8は、本実施の形態に係る電源装置20、直流電源21、及び負荷12を備えた電源システムの概略構成図である。
本実施の形態では、制御回路13は、第1及び第2蓄電デバイス16、17から負荷(揮発性半導体メモリ18)に、予め設定された判定休止期間以上電力を供給しない場合に、第1及び第2蓄電デバイス16、17のいずれか一方である放電対象蓄電デバイスをAC/DCコンバータ19に接続し、AC/DCコンバータ19によって放電対象蓄電デバイスから交流安定化電源14に電力を変換させて、放電対象蓄電デバイスの蓄電電力を低くする(例えば、蓄電電力を0まで低下させる)。
例えば、制御回路13は、第1蓄電デバイス16を放電対象蓄電デバイスに設定した場合は、第1スイッチ5をオンにし、第2スイッチ6をオフにする。制御回路13は、第2蓄電デバイス17を放電対象蓄電デバイスに設定した場合は、第3スイッチ7をオンにし、第4スイッチ8をオフにする。
電気二重層コンデンサの寿命は、(1)コンデンサ素子温度(たとえば、周囲温度に内部自己温度上昇を加算したもの)と、(2)印加電圧の大きさが重要なパラメータである。上記の構成によれば、(2)の印加電圧について、休止時に蓄電電力を低くすることにより、蓄電デバイスを長寿命化させることができる。
一方、制御回路13は、蓄電電力を低くしない方の蓄電デバイスである非放電対象蓄電デバイスを揮発性半導体メモリ18に接続し、揮発性半導体メモリ18に電力供給可能にする。例えば、制御回路13は、第1蓄電デバイス16を非放電対象蓄電デバイスに設定した場合は、第1スイッチ5をオフにし、第2スイッチ6をオンにする。制御回路13は、第2蓄電デバイス17を非放電対象蓄電デバイスに設定した場合は、第3スイッチ7をオフにし、第4スイッチ8をオンにする。
この構成によれば、揮発性半導体メモリ18への電力供給が再開した場合に、非放電対象蓄電デバイスにより速やかに電力供給を行うことができる。
なお、AC/DCコンバータ19の半導体スイッチ素子は、制御回路13によりオンオフ制御されてもよい。AC/DCコンバータ19は、電源装置20に含まれてもよい。
4.実施の形態4
実施の形態4に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
実施の形態4に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
本実施の形態では、第1蓄電デバイス10の充電容量は、第2蓄電デバイス11の充電容量よりも小さくされている。図9に本実施の形態に係る基本切換制御の挙動を示す。充電容量の差により、第1蓄電デバイス10の端子電圧(SOC)の放電時の傾きおよび充電時の傾きは、第2蓄電デバイス11よりも大きくなっている。実施の形態1と同様に、負荷蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になった時点で、第1接続状態と第2接続状態とが切り換わっている。第1接続状態と第2接続状態とを定期的に切り換えて、蓄電デバイスのSOCを予め設定された範囲で繰り返し増減させることができている。よって、基本切換制御では、蓄電デバイスのSOCの変化範囲を適切に設定することができ、蓄電デバイスの充電容量を有効利用できる。また、負荷12への供給電圧Vbusとして、図4に示すより高い電圧を、同じ時間内で多くの回数供給可能となり、負荷12に供給する電力不足を更に抑制することができる。
5.実施の形態5
実施の形態5に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態4と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態4との差異について説明する。
実施の形態5に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態4と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態4との差異について説明する。
本実施の形態でも、実施の形態4と同様に、第1蓄電デバイス10の充電容量は、第2蓄電デバイス11の充電容量よりも小さくなっている。図10に本実施の形態に係る基本切換制御の挙動を示す。本実施の形態では、制御回路13は、第1接続状態において負荷に接続されている第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2が、切換判定電圧以下になった場合に、第1接続状態から第2接続状態に切り換え、第2接続状態において負荷に接続されている第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1が、切換判定電圧に到達する前の周期で、第2接続状態から第1接続状態に切り換える基本切換制御を実行するように構成されている。すなわち、第1接続状態から第2接続状態に切り換えた後、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1が、切換判定電圧に到達するまでの周期よりも短い周期で、第2接続状態から第1接続状態に切り換えられる。その結果、負荷12への供給電圧Vbusの最大値は第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1の最大値(SOC100%)となり、負荷12への供給電圧Vbusの最小値は、第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2の最小値(切換判定電圧)となる。すなわち、制御回路13は、第1蓄電デバイス10の端子電圧VPbB1の最大値と第2蓄電デバイス11の端子電圧VPbB2の最小値との範囲の電圧を負荷12に供給するように、第1接続状態と第2接続状態とを切り替える基本切換制御を実行している。
負荷12への供給電圧Vbusは、図4に示すよりも高い電圧を、同じ時間内で多くの回数供給可能となり、負荷12に供給する電力不足を更に抑制することができる。また、充電容量の小さい第1蓄電デバイス10の下限SOCレベルを高められることにより、第1蓄電デバイス10の充放電範囲を低減でき、第1蓄電デバイス10の長寿命化を実現できる。
6.実施の形態6
実施の形態6に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
実施の形態6に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
図11に本実施の形態に係る基本切換制御の挙動を示す。本実施の形態でも、実施の形態1と同様に、制御回路13は、第1蓄電デバイス10及び第2蓄電デバイス11の内、負荷12に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になった場合に、第1接続状態と第2接続状態とを切り換える基本切換制御を実行するように構成されている。しかし、実施の形態1とは異なり、制御回路13は、負荷12の消費電力が増加した場合に、切換判定電圧を増加させるように構成されている。その結果、第1接続状態と第2接続状態との切換周期を、負荷12の消費電力が増加した後に、短くすることができる。負荷12への供給電圧Vbusは、高い電圧を同じ時間内で多くの回数供給可能となり、負荷12に供給する電力不足を更に抑制することができる。
7.実施の形態7
実施の形態7に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
実施の形態7に係る電源装置20について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略し、本実施の形態に係る電源システムと実施の形態1との差異について説明する。
制御回路13は、負荷12の消費電力の増加状態が予め設定された特定増加状態になった場合に、図12に示すように、直流電源21と第1蓄電デバイス10及び第2蓄電デバイス11とを接続すると共に負荷12と第1蓄電デバイス10及び第2蓄電デバイス11とを接続する第3接続状態に切り替えるように構成されている。例えば、制御回路13は、負荷12の消費電力が、切換判定電力よりも高い電力に設定された第3切換判定電力以上になった場合に、特定増加状態になったと判定する。負荷12が過大な電力を要求している場合でも、第3接続状態に切り替えることにより、直流電源21、第1蓄電デバイス10、及び第2蓄電デバイス11の供給可能な全ての電力を、負荷12に供給することができ、負荷の動作下限電圧を下回ることなく、安定的に負荷の動作を継続させることが可能となる。
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
3 電源蓄電デバイス、4 DC/DCコンバータ、5 第1スイッチ、6 第2スイッチ、7 第3スイッチ、8 第4スイッチ、9 切換回路、10、16 第1蓄電デバイス、11、17 第2蓄電デバイス、12、18 負荷、13 制御回路、14 交流安定化電源、15、19 AC/DCコンバータ、20 電源装置、21 直流電源
Claims (18)
- 直流電源と負荷に接続される電源装置であって、
直流電力を充電及び放電可能な第1蓄電デバイスと、
直流電力を充電及び放電可能な第2蓄電デバイスと、
複数のスイッチを備え、前記直流電源と、前記負荷と、前記第1蓄電デバイスと、前記第2蓄電デバイスとの間の接続を切り換え可能な切換回路と、
前記複数のスイッチのそれぞれをオン又はオフに制御することにより、前記切換回路の接続状態を切り換える制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記負荷の消費電力が増加するタイミングに合わせて、前記直流電源と前記第1蓄電デバイスとを接続すると共に前記負荷と前記第2蓄電デバイスと接続する第1接続状態と、前記直流電源と前記第2蓄電デバイスとを接続すると共に前記負荷と前記第1蓄電デバイスと接続する第2接続状態とを切り換える電源装置。 - 前記制御回路は、前記負荷の動作状態に応じて、前記第1接続状態と前記第2接続状態とを切り替える請求項1に記載の電源装置。
- 前記制御回路は、前記負荷の消費電力が予め設定された切換判定電力以上に増加すると判定し、且つ、前記第1及び第2蓄電デバイスの内、前記負荷に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧が、前記直流電源に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧よりも低いと判定した場合に、前記第1接続状態と前記第2接続状態とを切り換える請求項1又は2に記載の電源装置。
- 前記負荷は、前記切換判定電力以上に消費電力が増加する負荷である大消費電力負荷を含み、
前記制御回路は、前記大消費電力負荷の動作情報に基づいて、前記負荷の消費電力が前記切換判定電力以上に増加するか否かを判定する請求項3に記載の電源装置。 - 前記制御回路は、前記負荷に供給される供給電力を検出し、前記供給電力の検出値に基づいて、前記負荷の消費電力が前記切換判定電力以上に増加するか否かを判定する請求項3に記載の電源装置。
- 前記切換判定電力は、前記直流電源が供給可能な最大供給電力に応じた電力に設定されている請求項3から5のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記直流電源は、直流電力を充電及び放電可能な電源蓄電デバイスと、前記電源蓄電デバイスから供給された直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して、前記切換回路に出力するDC/DCコンバータと、を備え、
前記切換判定電力は、前記DC/DCコンバータが変換可能な最大変換電力に応じた電力に設定されている請求項3から6のいずれか一項に記載の電源装置。 - 前記直流電源は、交流安定化電源と、前記交流安定化電源から供給された交流電力を直流電力に変換して、前記切換回路に出力するAC/DCコンバータと、を備えている請求項1から6のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記AC/DCコンバータは、双方向に電力を変換可能である請求項8に記載の電源装置。
- 前記制御回路は、前記第1及び第2蓄電デバイスから前記負荷に、予め設定された判定休止期間以上電力を供給しない場合に、前記第1及び第2蓄電デバイスのいずれか一方である放電対象蓄電デバイスを前記AC/DCコンバータに接続し、前記AC/DCコンバータによって前記放電対象蓄電デバイスから前記交流安定化電源に電力を変換させて、前記放電対象蓄電デバイスの蓄電電力を低くする請求項9に記載の電源装置。
- 前記切換回路は、前記直流電源の正極側に接続される第1スイッチと前記負荷の正極側に接続される第2スイッチとが直列接続された第1直列回路と、前記直流電源の正極側に接続される第3スイッチと前記負荷の正極側に接続される第4スイッチとが直列接続された第2直列回路と、を備え、前記第1スイッチと前記第2スイッチの接続点が前記第1蓄電デバイスの正極側に接続され、前記第3スイッチと前記第4スイッチの接続点が前記第2蓄電デバイスの正極側に接続され、
前記制御回路は、前記第1接続状態にする場合は、前記第1スイッチをオンに、前記第2スイッチをオフに、前記第3スイッチをオフに、前記第4スイッチをオンに制御し、
前記第2接続状態にする場合は、前記第1スイッチをオフに、前記第2スイッチをオンに、前記第3スイッチをオンに、前記第4スイッチをオフに制御する請求項1から10のいずれか一項に記載の電源装置。 - 前記複数のスイッチは、電動アクチュエータにより開閉する接点を有する機械式のスイッチとされている請求項1から11のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記複数のスイッチは、半導体スイッチ素子とされている請求項1から11のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記第1蓄電デバイスの充電容量は、前記第2蓄電デバイスの充電容量よりも小さい請求項1から13のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記制御回路は、前記第1蓄電デバイスの端子電圧の最大値と前記第2蓄電デバイスの端子電圧の最小値との範囲の電圧を前記負荷に供給するように、前記第1接続状態と前記第2接続状態とを切り替える基本切換制御を実行する請求項14に記載の電源装置。
- 前記制御回路は、前記第1接続状態において前記負荷に接続されている前記第2蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になった場合に、前記第1接続状態から前記第2接続状態に切り換え、前記第2接続状態において前記負荷に接続されている前記第1蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧に到達する前の周期で、前記第2接続状態から前記第1接続状態に切り換える基本切換制御を実行する請求項14又は15に記載の電源装置。
- 前記制御回路は、前記第1蓄電デバイス及び前記第2蓄電デバイスの内、前記負荷に接続されている方の蓄電デバイスの端子電圧が、切換判定電圧以下になった場合に、前記第1接続状態と前記第2接続状態とを切り換える基本切換制御を実行し、
前記負荷の消費電力が増加した場合に、前記切換判定電圧を増加させる請求項1から14のいずれか一項に記載の電源装置。 - 前記制御回路は、前記負荷の消費電力の増加状態が予め設定された特定増加状態になった場合に、前記直流電源と前記第1蓄電デバイス及び前記第2蓄電デバイスとを接続すると共に前記負荷と前記第1蓄電デバイス及び前記第2蓄電デバイスとを接続する第3接続状態に切り替える請求項1から17のいずれか一項に記載の電源装置。
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